Τετάρτη, 27 Μαρτίου 2013

Προέλευση και εξέλιξη της ατμόσφαιρας



Η πρώτη ατμόσφαιρα του πλανήτη πιθανότατα είχε πάρα πολλές ομοιότητες με την ατμόσφαιρα του ήλιου. Η ατμόσφαιρα αυτή, η οποία περιείχε μεγάλες ποσότητες υδρογόνου (Η2) και ήλιου (He), χάθηκε σχετικά σύντομα μετά από τη δημιουργία της, πριν από περίπου 4.6 δισ. χρόνια. Στην απώλεια της αρχικής ατμόσφαιρας της Γης συνετέλεσαν, μεταξύ άλλων, ο ισχυρός ηλιακός άνεμος («βροχή» φορτισμένων σωματιδίων από τον ήλιο) και οι εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες που επικρατούσαν στον πλανήτη μας εκείνη τη χρονική περίοδο.
Η παρούσα ατμόσφαιρα θεωρείται το αποτέλεσμα της εξελικτικής πορείας μιας πρωταρχικής, αναγωγικής ατμόσφαιρας η οποία προέκυψε από την έκλυση διαφόρων αερίων από τοεσωτερικό της Γης μέσω της ηφαιστειακής δραστηριότητας και των θερμοπιδάκων. Τα εκλυόμενα αέρια αποτελούνταν στο μεγαλύτερο ποσοστό τους (~80%) από υδρατμούς (Η2Ο) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2), ενώ σε μικρότερες ποσότητες περιείχαν ενώσεις του αζώτου (Ν2). Με βάση χημικές αναλύσεις από τα αρχαιότερα πετρώματα της Γης, η πρωταρχική αυτή ατμόσφαιρα περιείχε επίσης μεθάνιο (CH4), μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και κυάνιο (CN), ενώ απουσίαζε το οξυγόνο (Ο2).
Η έκλυση αερίων από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη μας συνεχίστηκε για εκατομμύρια χρόνια, εμπλουτίζοντας την αναγωγική ατμόσφαιρα με υδρατμούς και οδηγώντας, σταδιακά, στο σχηματισμό νεφών (αποτέλεσμα της συμπύκνωσης των υδρατμών). Ταυτόχρονα, η θερμοκρασία της επιφάνειας συνέχισε να υποχωρεί, επιτρέποντας στο νερό που έπεφτε με την μορφή βροχής να γεμίσει σταδιακά της κοιλότητες (αποτέλεσμα του «βομβαρδισμού» της Γης από πλήθος αστρικών σωμάτων) του πλανήτη μας, δημιουργώντας λίμνες, ποτάμια καιωκεανούς. Κατά τη διάρκεια αυτής της φυσικής διεργασίας, μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα απομακρύνθηκαν από την ατμόσφαιρα, διαλυόμενες στο βρόχινο νερό και αποθηκευόμενες τελικά στους ωκεανούς. Μέσω χημικών και βιολογικών διεργασιών, ένα σημαντικό μέρος του παραπάνω διοξειδίου του άνθρακα εγκλωβίστηκε τελικά σε ιζηματογενή πετρώματα (π.χ. ασβεστόλιθος). Η σταδιακή απομάκρυνση υδρατμών (μέσω συμπύκνωσης και κατακρήμνισης με την μορφή βροχής) και διοξειδίου του άνθρακα κατέστησε τελικά το χημικά αδρανές άζωτο κυρίαρχο ατμοσφαιρικό συστατικό.
Κατά την ίδια χρονική περίοδο, η αναγωγική ατμόσφαιρα της Γης «σφυροκοπείται» από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία ενώ εκδηλώνονται πολύ βίαια καιρικά φαινόμενα, συνοδευόμενα από έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα (κεραυνοί). Η συνύπαρξη αυτών των πηγών ενέργειας και της αναγωγικής ατμόσφαιρας έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη δημιουργίατου οξυγόνου, αφού επέτρεψε καταρχήν τη δημιουργία πρωτόγονων μορφών ζωής (π.χ. βακτήρια), οι οποίες στη συνέχεια εμπλούτισαν με οξυγόνο την ατμόσφαιρα μέσω της διεργασίας της φωτοσύνθεσης.
Το ατμοσφαιρικό οξυγόνο μπορεί να δημιουργηθεί με τουλάχιστον δύο τρόπους:
  • Με φωτοδιάσπαση των υδρατμών υπό την επίδραση της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας.
       2H2O + hv --> H2 + O2
Κατά τη φωτοχημική αυτή διεργασία, τα μόρια των υδρατμών διασπώνται από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία, οδηγώντας στην παραγωγή μορίων υδρογόνου και οξυγόνου. Η διεργασία αυτή εξακολουθεί να λαμβάνει χώρα ακόμα και σήμερα στην ανώτερη ατμόσφαιρα.
  • Με φωτοσύνθεση κατά την οποία ζώντες οργανισμοί συνθέτουν την τροφή τους (γλυκόζη) από υδρατμούς και διοξείδιο του άνθρακα, παρουσία της ορατής ηλιακής ακτινοβολίας.  
        H2O + CO2 + hv --> CH2O + O2
Από τους δύο αυτούς τρόπους παραγωγής του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, η διεργασία της φωτοσύνθεσης είναι κυρίαρχη σε σχέση με τη φωτοδιάσπαση. Σύμφωνα με δοκιμαστικούς υπολογισμούς, μόνο το 10-6 – 10-4 της σημερινής συγκέντρωσης της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο θα μπορούσε να παραχθεί με φωτοδιάσπαση. Στον αντίποδα βέβαια, η διεργασία της φωτοσύνθεσης προϋποθέτει την παρουσία ζωής.  
Σύμφωνα με τις σημερινές αντιλήψεις, οι πρώτοι ζώντες οργανισμοί της Γης δημιουργήθηκαν μέσω της επίδρασης των προαναφερθέντων ισχυρών πηγών ενέργειας επάνω στα αέρια της πρωταρχικής, αναγωγικής ατμόσφαιρας. Πειραματικά αποδεικνύεται πως η επίδραση ισχυρών πηγών ενέργειας επάνω σε αναγωγική ατμόσφαιρα οδηγεί στο σχηματισμόαμινοξέων και άλλων οργανικών ενώσεων. Αυτές οι οργανικές ενώσεις διαλύθηκαν στους υδάτινους όγκους της «νεαρής» Γης όπου, προστατευόμενες από τη βλαβερή υπεριώδη ακτινοβολία, σχημάτισαν καταλυτικά μόρια DNA και RNA, καθώς και διάφορα άλλα ένζυμα, «συστατικά» απαραίτητα για την ανάπτυξη ζωής. Ωστόσο, η έξοδος αυτών των πρωτόγονων μορφών ζωής από το νερό δε θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί προτού η Γη αποκτούσε κάποιου είδους προστασία από την επιζήμια υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου.
Η προστασία της Γης από τη βλαβερή υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία επετεύχθη με το σχηματισμό του όζοντος (Ο3), το οποίο είναι αέριο που διαθέτει το μοναδικό χαρακτηριστικό της ισχυρής απορρόφησης της βλαβερής υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας. Τα πρώτα ίχνη όζοντος στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας δημιουργήθηκαν από το λιγοστό οξυγόνο που άρχισαν να εκλύουν οι πρωτόγονοι «υποβρύχιοι» οργανισμοί μέσω της διεργασίας της φωτοσύνθεσης. Η παραγωγή όζοντος από οξυγόνο είναι μια φωτοχημική διεργασία η οποία λαμβάνει χώρα στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, υπό την επίδραση της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας. Με βάση θεωρητικά ατμοσφαιρικά υποδείγματα, υπολογίζεται πως για την παραγωγή ποσότητας όζοντος ικανής για την προστασία της ζωής στη Γη απαιτούταν το ένα χιλιοστό της σημερινής συγκέντρωσης της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο.
Με τη δημιουργία της προστατευτικής στιβάδας του όζοντος στην ανώτερη ατμόσφαιρα, οι ζώντες οργανισμοί κατόρθωσαν να επιβιώσουν και έξω από το νερό. Έτσι, αναπτύχθηκε σταδιακά η βλάστηση στην επιφάνεια του πλανήτη μας και η φωτοσύνθεση κυριάρχησε, εμπλουτίζοντας την ατμόσφαιρα με οξυγόνο. Σήμερα γνωρίζουμε ότι πριν από 0.5 – 1 δισ. χρόνια, η ατμόσφαιρα της Γης περιείχε τόσο οξυγόνο όσο περίπου και σήμερα. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειώσουμε πως από τη συνολική ποσότητα οξυγόνου που παρήχθη από τους φυτικούς οργανισμούς στη διάρκεια της ιστορίας της Γης, μόνο το 10% αντιστοιχεί στα επίπεδα συγκεντρώσεων που παρατηρούμε σήμερα. Το υπόλοιπο 90% καταναλώθηκε κυρίως για την παραγωγή οξειδίων στο φλοιό της Γης (π.χ. ανθρακικό ασβέστιο).
Η δημιουργία, ειδικότερα, των ανθρακικών ενώσεων έπαιξε σημαντικό ρόλο στην απομάκρυνση σημαντικών ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Στην πιο πρόσφατη ιστορία του πλανήτη μας, η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε διοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο παρέμεινε σταθερή ως αποτέλεσμα της ισορροπίας μεταξύ των διεργασιών της φωτοσύνθεσης, της δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα σε ανθρακικά πετρώματα, της αναπνοής, της καύσης, της οξείδωσης και της έκλυσης ηφαιστειακών αερίων. Στον «καθαρισμό» της ατμόσφαιρας από το διοξείδιο του άνθρακα, καθοριστικό ρόλο έπαιξε το νερό. Δίχως την παρουσία του δεν θα αναπτυσσόταν ζωή ικανή να φωτοσυνθέσει και να εμπλουτίσει την ατμόσφαιρα με οξυγόνο.
Συνοψίζοντας, μπορούμε να πούμε ότι η σημερινή ατμόσφαιρα (εδώ) προέκυψε από την πρωταρχική αναγωγική ατμόσφαιρα αφού πρώτα αφαιρέθηκαν μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα και υδρατμών. Μέσα από τη διαδικασία αυτή, το άζωτο κατέστη το κυρίαρχο συστατικό της ατμόσφαιρας, λόγω και της χημικής του αδράνειας. Τέλος, η ανάπτυξη ζωής αρχικά στο νερό και στη συνέχεια έξω από αυτό, εμπλούτισε την ατμόσφαιρα με οξυγόνο. Υπολογίζεται ότι η ατμόσφαιρα της Γης έφτασε στη σημερινή της σύσταση πριν από περίπου0.5 δισ. χρόνια.  
Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)

Δεν υπάρχουν σχόλια: